Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
PHẦN MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài :
Từ lâu, con người đã biết làm lạnh để bảo quản lương thực và thực phẩm
bằng cách cho vào các hang động có các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua...
Ngày nay, kỹ thuật lạnh cơ điện hiện đại đã có những bước tiến rất xa, ngang tầm
với các ngành kỹ thuật khác và được ứng dụng rất rộng rãi .
Ngành chế biến, bảo quản thực phẩm là lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất
của kỹ thuật lạnh. Để bảo quản thực phẩm, ngoài các phương pháp sấy khô, phóng
xạ, bao bì, xử lý khí... người ta còn sử dụng phương pháp làm lạnh. Phương pháp
làm lạnh có nhiều ưu điểm như ít làm giảm chất lượng, mầu sắc, mùi vị của thực
phẩm trong nhiều tháng, nhiều năm, với nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm,
quá trình ôi thiu của thực phẩm diễn ra nhanh chóng, việc sử dụng thiết bị lạnh đã có
ý nghĩa kinh tế rất to lớn.
Ngày nay, kỹ thuật lạnh đã thâm nhập và và hỗ trợ cho hầu hết các ngành kinh
tế khác nhau. Có thể khẳng định rằng để xây dựng một nước Việt Nam giầu mạnh
với nền công nghiệp hiện đại, chúng ta không thể không quan tâm đến việc việc xây
dựng và phát triển ngành cơ điện lạnh.
Hiện nay trong thực tế khoảng 80% máy lạnh sử dụng môi chất lạnh là
amôniăc. Amôniăc là môi chất lạnh rẻ tiền, dễ diều chế, dễ vận chuyển, không có tác
hại phá huỷ tầng ozon như các môi chất lạnh freon và có năng suất lạnh lớn,
Mặc dù các thiết bị sử dụng kỹ thuật lạnh như tủ lạnh, máy kem, máy đá, máy
điều hoà nhiệt độ, đã trở nên quen thuộc trong đời sống hàng ngày; các máy và thiết
bị lạnh công nghiệp phục vụ trong các ngành chế biến thực phẩm, bia, rượu, sợi, dệt,
in ấn, điện tử, vi điện tử, thông tin, bưu chính viễn thông, thể dục thể thao, du lịch
cũng đang phát huy tác dụng thúc đẩy nền kinh tế đi lên, nhưng trong thực tế hiểu
biết về các phương pháp làm lạnh của bản thân tôi còn rất hạn chế .
Với nhận thức như trên, là một sinh viên ngành sư phạm vật lý mặc dù vốn
kiến thức về kỹ thuật lạnh còn rất ít ỏi, nhưng bản thân có những ham muốn tìm
hiểu, nghiên cứu sâu hơn một số vấn đề kỹ thuật của lĩnh vực này. Với những lý do
trên được sự động viên, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy, cô giáo trong khoa vật
lý, bản thân mạnh dạn nghiên cứu và lựa chọn đề tài “ Hệ thống làm lạnh 2 cấp dùng
hơi Amôniăc “ làm luận văn tốt nghiệp của mình để trong tương lai tôi có thể phát
huy khả năng của mình trong việc giảng dạy những tri thức về kỹ thuật lạnh ở
chươnhg trình vật lý phổ thông .
II. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
1. Mục đích nghiên cứu :
- Tìm hiểu lý thuyết liên quan đến quá trình làm lạnh và kỹ thuật làm lạnh
- Nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi
Amôniăc
Hồ Việt Dũng
Trang 4
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
2. Nhiệm vụ nghiên cứu :
+ Tìm hiểu : Môi chất làm lạnh; chất tải lạnh; các định luật cơ bản, các chu
trình nhiệt động áp dụng cho sự vận hành của hệ thống lạnh; các phương pháp làm
lạnh; các loại máy lạnh .
+ Tìm hiểu cấu toạ hoạt động của các thiết bị trong hệ thống làm lạnh hai cấp
dùng hơi amôniăc .
III. Phương pháp nghiên cứu :
1- Nghiên cứu về lý luận : Dựa trên những cơ sở lý thuyết đã có về kỹ thuật
làm lạnh để có thể tìm hiểu kỹ hơn, sâu hơn về cấu tạo và hoạt động của hệ thống
lạnh .
2 – Tìm hiểu thực tế tại các xưởng, các nhà máy, các công ty chế biến thuỷ hải
sản để quan sát và tìm hiểu cụ thể hơn về hệ thống làm lạnh. Mà cụ thể là công ty
xuất nhập khẩu thuỷ hải sản tỉnh Hà Tĩnh
IV . Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :
1. Đối tượng nghiên cứu :
+ Các phương pháp làm lạnh
+ Cấu tạo và hoạt động của hệ thống lạnh
2. Phạm vi nghiên cứu :
Hệ thống máy lạnh 2 cấp, bình trung gian ống xoắn sử dụng môi chất amôniăc
để làm lạnh .
V. Cấu trúc của đề tài :
Phần mở đầu : - Lý do chọn đề tài
- Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu
- Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Nội dung :
- Chương I : Cơ sở lý luận của đề tài
- Chương II : Hệ thống làm lạnh 2 cấp dùng hơi Amôniăc
Kết luận
Hồ Việt Dũng
Trang 5
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
I - Môi chất và chất tải lạnh :
1. Môi chất lạnh
Môi chất lạnh ( còn gọi là tác nhân lạnh, ga lạnh ) là chất môi giới sử dụng
trong chu trình nhiệt động ngược chiều để hấp thụ nhiệt của môi trường cần làm
lạnh có nhiệt độ thấp và tỏa nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn .
1. 1 . Yêu cầu đối với môi chất lạnh :
Do những đặc điểm riêng của chu trình lạnh, hệ thống thiết bị và điều kiện
vận hành mà môi chất lạnh cần có các tính chất sau đây :
- Phải an toàn không dễ cháy nổ .
- Phải trơ, không ăn mòn các vật liệu chế tạo máy, không phản ứng hoá học
với dầu bôi trơn, ôxy hoá trong không khí, hơi ẩm và các tạp chất có trong máy lạnh
Không phân huỷ, bền vững trong phạm vi áp suất, nhiệt độ làm việc .
- Yêu cầu áp suất ngưng tụ không được quá cao (nhỏ hơn 15 đến 20 bar ), áp
suất bay hơi không quá thấp ( lớn hơn 1bar ).
1. 2. Sự thay đổi trạng thái vật lý của môi chất :
1.2.1. Sơ đồ sự thay đổi trạng thái của môi chất :
Trong các chu trình máy lạnh môi chất luôn thay đổi trạng thái vật lý của nó.
Môi chất thường ở hai trạng thái lỏng hoặc hơi ( khí ) và đôi khi ( trong các hệ thống
sản xuất đá khô, hoặc ở tình huống xảy ra sự cố ) môi chất ở trạng thái rắn. Giữa ba
trạng thái vật lý này có quan hệ với nhau như biểu thị ở hình 1 :
Hình 1 : Sơ đồ thay đổi trạng thái của môi chất
1.2.2 . Nhiệt lượng :
Là lượng năng lượng được truyền từ vật này sang vật khác trong quá trình
trao đổi nhiệt giữa hai vật. Trong hệ SI nhiệt lượng được đo bằng đơn vị Jun. Trước
đây người ta đo bằng đơn vị calo ( 1 calo = 4,18 jun ). Hệ đo lường Anh - Mỹ sử
Hồ Việt Dũng
Trang 6
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
dụng đơn vị nhiệt lượng là BTU viết tắt của chữ ( British thermal unit ) với định
nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ 1 bảng nước ( 454 g ) lên 10F .
1 Kcal = 4 BTU = 4,187 Kj
Nhiệt lượng được xác định bởi công thức : Q = m . c . Δt
Trong đó : Δt = t2 –t1 Hiệu nhiệt độ trước và sau khi cấp nhiệt
m khối lượng của vật (kg) ;
C nhiệt dung riêng của vật (kJ/Kg.K)
1.2.3. Nhiệt ẩn :
Nhiệt ẩn của một chất là nhiệt lượng cần thiết làm cho chất đó thay đổi hoàn
toàn về trạng thái vật lý ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định .
§Ó n¾m ®îc c¸c kh¸i niÖm nhiÖt Èn ta cã thÓ theo dâi qu¸ tr×nh biÕn ®æi
nh sau :
CÊp nhiÖt cho1 kg níc ®¸ ë –20oC ®Ó ho¸ láng råi thµnh h¬i ë ¸p suÊt khÝ
quyÓn P = 1 atm. Qu¸ tr×nh ®ã biÔu diÔn trªn s¬ ®å sau:
Hình 2 : Sơ đồ thay đổi trạng thái nước ở áp suất p =1atm
Qua s¬ ®å thay ®æi tr¹ng th¸i ( r¾n – láng – h¬i ) ta thÊy :
- CÊp 10 Kcal cho níc ®¸, nhiÖt ®é t¨ng ®Õn 00C
- Tõ 0oC cÊp thªm 80Kcal, níc ®¸ chuyÓn sang tr¹ng th¸i láng; qu¸ tr×nh nµy
nhiÖt ®é kh«ng ®æi.
- CÊp thªm 100 Kcal ®Õn ®iÓm A níc nãng lªn ®Õn 1000C.
Hồ Việt Dũng
Trang 7
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
- TiÕp tôc cÊp nhiÖt, níc sÏ ho¸ h¬i, trong giai ®o¹n nµy nhiÖt ®é kh«ng
®æi
t=100oC, khi cÊp ®ñ 539 Kcal, níc ho¸ h¬i hoµn toµn..
- TiÕp tôc cÊp nhiÖt, h¬i níc sÏ t¨ng nhiÖt ®é.
NhiÖt lîng qhl = 80 Kcal lµm 1kg níc ®¸ ho¸ láng hoµn toµn nhng kh«ng lµm
t¨ng nhiÖt ®é gäi lµ nhiÖt Èn ho¸ láng.
NhiÖt lîng qhh = 539 Kcal lµm 1 kg níc ë 1000C ho¸ h¬i hoµn toµn nhng
kh«ng lµm t¨ng nhiÖt ®é gäi lµ nhiÖt Èn ho¸ h¬i.
NÕu qu¸ tr×nh trªn tiÕn hµnh ngîc l¹i th× :
NhiÖt lîng qhh = 539 Kcal /kg gäi lµ nhiÖt Èn ngng tô
NhiÖt lîng qhl = 80 Kcal/kg gäi lµ nhiÖt Èn ho¸ r¾n.
Nh vËy :
- NhiÖt Èn ho¸ láng cña mét chÊt lµ nhiÖt lîng cÇn thiÕt ®Ó lµm cho 1 kg
cña chÊt ®ã ë tr¹ng th¸i r¾n chuyÓn hoµn toµn sang tr¹ng th¸i láng ( ë ®iÒu kiÖn
nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt nhÊt ®Þnh ) ký hiÖu qhl., kJ/kg.
- NhiÖt Èn ho¸ h¬i cña mét chÊt lµ nhiÖt lîng cÇn thiÕt ®Ó lµm cho 1 kg
cña chÊt ®ã ë tr¹ng th¸i láng biÕn hoµn toµn thµnh h¬i ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ
¸p suÊt kh«ng ®æi, ë qu¸ tr×nh ngng tô nhiÖt lîng thu ®îc b»ng nhiÖt lîng ho¸ h¬i
®ã; ký hiÖu r, kJ/kg.
1.2.4 .Quá trình hoá hơi :
Là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể hơi. Sự hoá hơi là khái niệm chung
chỉ sự bay hơi hoặc sự sôi .
Sự bay hơi của một chất lỏng là sự tạo thành hơi trên bề mặt tự do của chất
đó. Sự bay hơi xảy ra ở mọi nhiệt độ, tuy nhiên nó sẽ xảy ra mạnh hơn khi nhiệt độ
càng cao, bề mặt thoáng của chất lỏng càng lớn, không khí khí quyển càng khô và
thoáng, áp suất càng thấp… Sự sôi là sự hoá hơi mạnh tạo thành bọt hơi trong toàn
bộ thể tích chất lỏng .
Sự hoá hơi ở đây không chỉ có trên bể mặt chất lỏng mà xày ra cả ở trong
lòng chất lỏng .
Quá trình sôi tuân theo quy luật sau :
- Dưới cùng một áp suất, mội chất lỏng luôn luôn bắt đầu sôi ở cùng một
nhiệt độ .
- Suốt quá trình sôi nhiệt độ sẽ giữ không đổi nếu áp suất không thay đổi .
- Áp suất của hơi bão hoà tạo thành bằng áp suất của chất lỏng
Nếu muốn giảm nhiệt độ thì phải giảm áp suất của chất lỏng
1. 3. Phân loại, ký hiÖu vµ môi chất lạnh th«ng dông :
1.3.1. Môi chất lạnh có thể phân loại:
- Căn cứ thành phần có thể phân thành môi chất lạnh vô cơ hay môi chất lạnh
hữu cơ .
Hồ Việt Dũng
Trang 8
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
- Căn cứ vào tính độc hại có thể phân thành các loại môi chất rất độc hại, ít
độc hại và không độc hại.
- Căn cứ tính dễ cháy nổ có thể phân ra loại tuyệt đối an toàn, loại an toàn và
nguy hiểm về cháy nổ.
1.3.2. Ký hiệu các môi chất lạnh :
+ Các freon : Ký hiệu các môi chất lạnh thường bắt đầu từ chữ R ( viết tắt của
chữ Refrigerant : tiếng Anh nghĩa là môi chất lạnh ) sau đó là một tập hợp số thường
gồm 2 ,3 con số, ví dụ R113, R22,
+ Các môi chất vô cơ : Vì công thức hoá học của các chất vô cơ đơn giản nên
ít khi sử dụng ký hiệu. Tuy nhiên có một số nước quy định ký hiệu cho các môi chất
vô cơ như sau : Bắt đầu bằng chữ cái R , sau chữ R là số 7 chỉ môi chất vô cơ sau số
7 là 2 chữ số ghi phân tử lượng làm tròn của chất đó. Ví dụ NH 3 là R717, nước là
R718, không khí là R729. Các chất có cùng phân tử lượng phải có dấu hiệu phân
biệt như R744 là CO2 còn R744A là N2O.
1.3.3. Các môi chất lạnh thông dụng :
+ Amoniắc : Là một chất khí không mầu, có mùi rất hắc, công thức hoá học là
NH3 kí hiệu là R717 sôi ở ấp suất khí quyển là -33,35 0C . NH3 có tính chất nhiệt
động rất tốt đối với chu trình lạnh, hơn nữa NH 3 lại rẻ, dễ điều chế nên chắc chắn nó
còn giữ vai trò quan trọng trong kỹ thuật lạnh đặc biệt là đối với máy lạnh nén hơi
và hấp thụ. NH3 không ăn mòn các kim loại đen chế tạo máy nhưng ăn mòn đồng và
các hợp kim của đồng do đó không sử dụng đồng trong các máy lạnh Amôniắc. NH 3
gây cháy và gây nổ nguy hiểm trong không khí nên cần các biện pháp đề phòng
cháy nổ giàn máy và thiết bị, NH 3 độc hại với cơ thể con người và ảnh hưởng không
tốt đến chất lượng sản phẩm bảo quản. Nhưng do có mùi hắc nên dẽ phát hiện và dễ
phòng tránh .
+ R22 : Là một chất khí không mầu có mùi thơm, rất nhẹ có công thức hoá
học là CHClF2 v à có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển là -40,8 0C. Tính chất của R22
gần giống của R12 nhưng áp suất làm việc cao hơn, năng suất lạnh riêng thể tích lớn
hơn 1,6 lần so với R12. R22 không ăn mòn kim loại và các phi kim chế tạo máy
nhưng cũng làm trương phồng cao su và một số chất dẻo. R22 không hoà tan nước
nên dễ gây ẩm tắc ở các bộ phận tiết lưu . R22 hoà tan dầu hạn chế nên gây nhiều
khó khăn cho việc bôi trơn máy nén. R22 cũng thuộc môi chất an toàn không gây
cháy nổ và không độc hại nên được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống diều hoà
không khí .
Ngoài ra còn có một số môi chất nữa như R11, R12, R13… nhưng đã bị cấm
sử dụng do gây hiệu ứng nhà kính .
1.4. Các thông số trạng thái của môi chất lạnh :
1.4.1 . Nhiệt độ :
Hồ Việt Dũng
Trang 9
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Nhiệt độ biểu thị trạng thái nhiệt của vật là nóng hay lạnh. Nhiệt độ chính là
mức độ vận động hoặc rung động trung bình của các phân tử trong nội bộ vật chất ở
thời điểm đó (Càng làm lạnh vật chất thì mức độ rung động của các phân tử càng
nhỏ đi. Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,15oC thì tất cả các rung động của
phân tử sẽ biến mất t=273,15oC được gọi là “ nhiệt độ không tuyệt đối “ ).
Vì nhiệt độ luôn tự động truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho nên ta có thể
định nghĩa nhiệt độ của một vật chính là tính chất xác định hướng truyền nhiệt giữa
vật đó với các vật khác tiếp xúc nó .
Hệ đơn vị Anh - Mỹ sử dụng nhiệt độ fahernheit ( oF ) . 1oF = 5/9 oC hoặc có
thể tính : toC = 5/9 (toF – 32 ).
1.4.2. Entanpi :
Entanpi là năng lượng toàn phần của môi chất trong hệ thống hở xác định bởi
trạng thái nhiệt động của môi chất . đơn vị đo trong hệ SI là kJ/kg. kí hiệu của
entanpi là H hoặc với một đơn vị khối lượng môi chất kí hiệu là h
Biểu thức toán học của entanpi : h = u + pv
Ở đây : u - Nội năng của môi chất ( kJ/kg )
p – Áp suất tuyệt đối của môi chất ( Pa )
v - Thể tích riêng của môi chất ( m3/kg )
Biểu thức entanpi cũng giải thích rằng trong hệ thống hở không phải toàn bộ
năng lượng nhận vào để làm tăng nội năng của nó mà một phần dùng để sinh công
( thành phần pv ) đưa môi chất từ trạng thái ban đầu tới trạng thái cuối yêu cầu .
1.4.3. Entrôpi :
Entrôpi đặc trưng cho chiều trao đổi nhiệt giữa môi chất và môi trường
ngoài , entrôpi được ký hiệu là S ( hoặc s - đối với 1kg môi chất ), đơn vị đo trong
hệ SI là kJ/kgK. Qua etrôpi nhiệt lượng truyền trong quá trình được biểu thị bằng
tích số nhiệt độ tuyệt đối trung bình của môi chất trong quá trình (T m ) với biến đổi
entrôpi ∆s trong quá trình đó ( Cũng tương tự như công dãn nở bằng tích số của áp
suất trung bình với biến đổi thể tích của môi chất ) :
q = Tm ∆s kJ/kg Vậy ∆s = q / Tm kJ/kg.K Và Tm = q / ∆s K
Những quan hệ này chỉ đúng với quá trình lý tưởng , thuận nghịch.Tuy nhiên ,
vì giá trị của ∆s giữa các điểm bất kỳ đặc trưng cho trạng thái của môi chất cũng có
ý nghĩa nhất định ( tuỳ theo biểu diễn của quá trình thực ) nên giá trị ∆s đối với các
quá trình thực, không thuận nghịch cũng có thể xác định trên cơ sở của ∆s đối với
quá trình thuận nghịch xẩy ra giữa cùng hai trạng thái. Trong tất cả các quá trình
thực ( không thuận nghịch ) entrôpi của hệ thống luôn luôn tăng do phải tiêu tốn
thêm một phần năng lượng để khắc phục trở lực ma sát. Thường thì năng lượng tiêu
tốn để khắc phục ma sát được biến thành nhiệt và toả vào môi trường xung quanh.
Do vậy, nếu quá trình không thuận nghịch được lặp đi lặp lại nhiều lần thì phải liên
tục cung cấp thêm năng lượng cho hệ thống từ một nguồn bên ngoài để bù lại tổn
Hồ Việt Dũng
Trang 10
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
thất nhiệt vào môi trường xung quanh. Như vậy. quá trình thực tiêu hao năng lượng
nhiều hơn .
1.5. Các định luật cơ bản ứng dụng cho sự vận hành của hệ thống lạnh
1.5.1. §Þnh luËt B«il¬ Marièt
Víi mét khèi lîng khÝ x¸c ®Þnh, ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi th× khi thay ®æi
tr¹ng th¸i cña khÝ tøc lµ lµm biÕn thiªn ¸p suÊt vµ thÓ tÝch cña nã, bao giê tÝch sè
¸p suÊt víi thÓ tÝch còng lµ mét h»ng sè: PV = const
. Gi¸ trÞ cña h»ng sè
(const) tuú thuéc vµo khèi lîng M vµ nhiÖt ®é T cña khÝ ®· x¸c ®Þnh tríc. §Þnh
luËt nµy ®îc biÓu diÔn trªn ®å thÞ b»ng mét nh¸nh cña hypepol vu«ng gãc. §êng
cong biÓu diÔn ®Þnh luËt Boile Mariot øng víi nhiÖt ®é kh«ng ®æi nªn ®îc gäi lµ
®êng ®¼ng nhiÖt .C¸c ®êng hypepol øng víi c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau cña mét khèi
lîng khÝ x¸c ®Þnh hîp thµnh mét hä ®êng hypepol ®¼ng nhiÖt
P T1 T2 T3
( T1 < T2 < T3 )
O
H×nh 3 : Hä ®êng ®¼ng nhiÖt
V
§Þnh luËt Boile Mariot cã tÝnh chÊt gÇn ®óng , nã chØ kh¸ chÝnh x¸c víi ®a
sè chÊt khÝ ë nhiÖt ®é gÇn víi nhiÖt ®é thêng trong phßng vµ chÞu ¸p suÊt kh«ng
kh¸c xa víi ¸p suÊt khÝ quyÓn l¾m (lóc ®ã chÊt khÝ gièng khÝ lý tëng), ë ¸p suÊt
cao kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ph©n tö chÊt khÝ kh«ng lín l¾m so víi kÝch thíc ph©n
tö, chÊt khÝ kh«ng ph¶i lµ chÊt khÝ lý tëng, kh«ng ¸p dông ®îc ®Þnh luËt B«il¬ Mariot.
1.5.2. §Þnh luËt S¸cl¬
Khi thÓ tÝch cña mét khèi lîng khÝ x¸c ®Þnh ®îc gi÷ kh«ng ®æi th×:
P
const ®©y
T
lµ ph¬ng tr×nh ®¼ng tÝch vµ biÓu thÞ ®Þnh luËt Sacl¬. D¹ng ph-
¬ng tr×nh ®¼ng tÝch quen thuéc biÓu thÞ ®Þnh luËt Sacl¬ ®îc viÕt theo nhiÖt
®é b¸ch ph©n: P = P0 (1 + t ) trong ®ã P0 lµ ¸p suÊt cña mét khèi lîng khÝ
x¸c ®Þnh ë nhiÖt ®é 00C. =1/273 , gäi lµ hÖ sè nhiÖt biÕn ®æi ¸p suÊt ®¼ng
tÝch cña chÊt khÝ . Khi thÓ tÝch kh«ng ®æi th× ¸p suÊt cña mét khèi lîng khÝ
cho tríc biÕn thiªn bËc nhÊt theo nhiÖt ®é (b¸ch ph©n). H×nh 4 lµ ®å thÞ cña c¸c
®êng ®¼ng tÝch
P0
Hồ Việt Dũng
Trang 11
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
H×nh 4
- 273 0C
t0C
0
§Þnh luËt Sacl¬ còng cã tÝnh chÊt gÇn ®óng.
1.5.3. §Þnh luËt Gay -Luytx¾c:
Khi ¸p suÊt cña mét khèi lîng khÝ cho tríc ®îc gi÷ kh«ng ®æi th×:
V
const
T
Ph¬ng tr×nh ®¼ng ¸p viÕt díi d¹ng quen thuéc biÓu thÞ ®Þnh luËt Gayluytx¾c,
®ã lµ:
V = Vo (1 + t ) trong đó Vo lµ thÓ tÝch ë nhiÖt ®é 00C. =1/273, gäi lµ hÖ sè
nhiÖt gi·n ®¼ng ¸p cña chÊt khÝ . Tõ ph¬ng tr×nh trªn ®Þnh luËt Gayluytx¾c ®îc
ph¸t biÓu nh sau: Khi ¸p suÊt kh«ng ®æi th× thÓ tÝch cña mét khèi lîng khÝ cho
tríc biÕn thiªn bËc nhÊt theo nhiªt ®é (b¸ch ph©n). H×nh 5 lµ ®å thÞ c¸c ®êng
®¼ng ¸p.
V
H×nh 5
- 273 0C
V0
0
t0C
§Þnh luËt Gay-luyx¨c cã tÝnh chÊt gÇn ®óng
1.5.4. §Þnh luËt nhiÖt ®éng thø nhÊt :
X¸c ®Þnh nhiÖt vµ c«ng biÕn ho¸ cho nhau theo tû lÖ t¬ng ®¬ng. quan hÖ
®ã ngêi ta gäi lµ ®¬ng lîng nhiÖt cña c«ng. Mét nhiÖt lîng 1J t¬ng ®¬ng mét c«ng
c¬ häc b»ng 1 Nm.
VÝ dô : NÕu cã 1 xi lanh kÝn, gi÷a xi lanh vµ pÝt t«ng chøa mét khèi lîng
khÝ,
nÕu ta cÊp nhiÖt cho khèi khÝ, khèi khÝ d·n në vµ ®Èy pÝt t«ng thùc hiÖn 1
c«ng.
Hồ Việt Dũng
Trang 12
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
NÕu ta t¸c dông vµo pitt«ng 1 c«ng th× pÝt t«ng sÏ nÐn khÝ, khèi khÝ sÏ
nãng lªn vµ th¶i nhiÖt lîng Q ra ngoµi.
1.5.5. §inh luËt nhiÖt ®éng thø 2 :
VÒ ®iÒu kiÖn truyÒn nhiÖt tõ vËt thÓ nµy sang vËt thÓ kh¸c, ®Þnh luËt
nhiÖt ®éng thø 2 ph¸t biÓu nh sau :
NhiÖt chØ cã thÓ truyÒn tõ mét vËt cã nhiÖt ®é cao sang vËt cã nhiÖt ®é
thÊp vµ kh«ng bao giê truyÒn ngîc l¹i. NÕu muèn thùc hiÖn mét dßng nhiÖt theo
chiÒu ngîc l¹i tøc lµ truyÒn nhiÖt tõ vËt cã nhiÖt thÊp ®ªn vËt cã nhiÖt ®é cao
cÇn ph¶i tiÕu tèn n¨ng lîng.
HiÖn tîng nµy gièng nh hiÖn tîng níc ch¶y; níc chØ cã thÓ tù ch¶y tõ n¬i cao
xuèng n¬i thÊp, muèn níc ch¶y tõ n¬i thÊp ®Õn n¬i cao cÇn ph¶i cã b¬m níc. Nh
vËy muèn truyÒn nhiÖt tõ n¬i thÊp ®Õn n¬i cao cÇn ph¶i cã b¬m nhiÖt (m¸y l¹nh
) vµ ph¶i tèn c«ng ( c¬ hoÆc nhiÖt, ®iÖn); ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a c¸c vËt
cµng cao th× cµng khã b¬m vµ c«ng tiªu thô cµng lín.Trong m¸y l¹nh nÐn h¬i n¨ng
lîng tiªu tèn chÝnh lµ c«ng ®Ó quay m¸y nÐn, m«i chÊt l¹nh bay h¬i sÏ thu nhiÖt tõ
vËt cÇn lµm mÊt nhiÖt vµ chuyÓn ra m«i trêng xung quang cã nhiÖt ®é cao h¬n
t¹i thiÕt bÞ ngng tô.
2. Chất tải lạnh
2.1 §Þnh nghÜa
Chất tải lạnh là môi chất trung gian tải lạnh từ máy và thiết bị lạnh đến nơi
tiêu thụ lạnh. Người ta sử dụng chất tải lạnh trong các trường hợp sau :
- Khó sử dụng trực tiếp giàn bay hơi để làm lạnh sản phẩm .
- Môi chất lạnh có tính độc hại và có ảnh hưởng không tốt đến môi trường và
sản phẩm bảo quản .
- Khi có nhiều hộ tiêu thụ lạnh và khi hộ tiêu thụ lại ở xa trung tâm cung cấp
lạnh.Ở đây, nếu dùng dàn bay hơi trực tiếp sẽ rất bất tiện vì đường ống môi chất dài
và phức tạp tốn môi chất lạnh, việc phát hiện rò rỉ khó khăn, tổn thất áp suất lớn,
việc phân phối đều môi chất lỏng cho các dàn bay hơi cũng khó khăn. Tất cả các
nhược điểm này đều có thể khắc phục được khi dùng chất tải lạnh .
Nhược điểm cơ bản của hệ thống lạnh dùng chất tải lạnh là :
- Hiệu suất nhiệt kém hơn, hệ số làm lạnh giảm và hiệu quả chu trình lạnh
giảm .
- Thiết bị cồng kềnh hơn vì tốn thêm nhiều thiết bị cho vòng tuần hoàn chất
taỉ lạnh, vốn đầu tư ban đầu tăng .
Có thể phân loại chất tải lạnh theo các đặc điểm sau :
- Căn cứ vào các pha của môi chất có thể phân ra chất tải lạnh khí, lỏng hoặc
rắn .
- Căn cứ vào thành phần hoá học có thể phân ra các loại chất lạnh vô vơ, hữu
cơ như nước nước muối, dung dịch cồn, rượu, các hydro các bon và các loại freôn.
Hồ Việt Dũng
Trang 13
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
- Căn cứ vào tính chất sử dụng phân ra chất tải lạnh sử dụng một lần như
nước đá, đá khô, nitơ lỏng và chất tải lạnh tuần hoàn như nước muối, glycol …
2.2. Yêu cầu đối với chất tải lạnh
Cũng như môi chất lạnh, chất tải lạnh lí tưởng cần có các tính chất sau đây :
- Điểm đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ bay hơi yêu cầu nhiều. Trong thực tế
phải có hiệu nhiệt độ an toàn là 5 oK. Ví dụ nếu nhiệt độ bay hơi yêu cầu là -15 oK thì
nhiệt độ đông đặc của chất tải lạnh ít nhất phải đạt -20oK hoặc thấp hơn nữa .
- Nhiệt độ sôi phải đủ cao để không bị bay hơi vào môi trường khi máy lạnh
không hoạt động, nghĩa là phải không tæn thÊt do dễ bay hơi. Đối với các chất dễ
bay hơi như cồn rượu các freôn .. phải cho tuần hoàn trong hệ thống kín để tránh
tổn thất do bay hơi .
- Không được ăn mòn thiết bị, gây han rỉ đối với máy móc và thiết bị làm
giảm tuổi thọ gây ra hỏng hóc. Không gây cháy nổ. Không độc hại đối với cơ thể
sống không làm mất phẩm chất hàng hoá bảo quản .
- Hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng càng lớn càng tốt vì chất tải lạnh có
tính chất trao đổi nhiệt tốt và khả năng trữ lạnh lớn .
- Độ nhớt và khối lượng riêng càng nhỏ càng tốt vì độ nhớt nhỏ, tổn thất áp
suất trên đường ống giảm, công tiêu tốn cho việc tuần hoàn chất tải lạnh giảm, khối
lượng riêng nhỏ cũng giảm công bơm đông thời tăng hệ số trao đổi nhiệt .
- Cần có tính kinh tế tốt nghĩa là rẻ tiền, dễ kiếm, dễ vận chuyển và bảo quản
2.3. Một số chất tải lạnh thường dùng
+ Nước : Nước có công thức hoá học là H 2O điểm hoá rắn ở 00C, điểm sôi là
1000C ở áp suất khí quyển. Nước là chất tải lạnh lý tưởng vì nó đáp ứng hầu hết các
yêu cầu đã nêu nhưng nó có một nhược điểm là điểm hoá rắn quá cao nên chỉ áp
dụng được cho nhiệt độ dương trên 00C như điều hoà không khí, bảo quản lạnh thực
phẩm rau quả trên 00C
+ Nước muối : Nước muối là dung dịch của nước với một loại muối nào đó.
Nhiệt độ đông đặc của nước muối là phụ thuộc vào loại muối và nồng độ muối trong
dung dịch. Trong kỹ thuật lạnh người ta hay sử dụng muối ăn NaCl và muối clorua
CaCl2. Dung dịch muối ăn rẻ tiền, dễ kiếm nhất nhưng nhiệt độ đông đặc thấp nhất
có thể chỉ đạt được chỉ là -21,2oC nên chỉ sử dụng được cho nhiệt độ đến -15 oC Nếu
cần nhiệt độ thấp hơn phải sử dụng dung dịch muối CaCl 2. Ngoài ra còn có thể sử
dụng các dung dịch muối khác như K2CO3 và MgCl2 .
Tính chất chung của các muối là an toàn, không cháy nổ, không độc hại
nhưng ăn mòn mạnh kim loại chế tạo máy. Tuy nhiên độ ăn mòn tuỳ thuộc vào loại
dung dịch muối, và thành phần kim loại khác nhau. Chính vì vậy đối với từng ứng
dụng cụ thể trong công nghiệp mà có thể chọn dung dịch muối thích hợp. Ngày nay
có nhiều xí nghiệp chuyên sản xuất các loại chất tải lạnh công nghiệp các chất tải
lạnh này hạn chế được mức độ ăn mòn kim loại thấp nhất .
II – Các phương pháp làm lạnh :
Hồ Việt Dũng
Trang 14
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Muốn làm lạnh một vật ta phải lấy nhiệt độ ra khỏi vật đó, để nhiệt độ của vật
đó giảm đến nhiệt độ yêu cầu. Đó là nguyên tắc chung của phương pháp làm lạnh,
dưới đây là một số phương pháp làm lạnh dựa theo nguyên tắc này:
1 . Sử dụng hiệu ứng điện - nhiệt ( J.Peltier ):
Năm 1821 Seebeck (Đức) đã phát hiện ra rằng trong một vòng dây dẫn kín
gồm 2 kim loại khác nhau, nếu đốt nóng một đầu nối và làm lạnh một đầu kia thì sẽ
xuất hiện một dòng điện trong dây dẫn. Đến năm 1834 Peltier ( Mỹ ) phát hiện ra
hiện tượng ngược lại là nếu cho một dòng điện một chiều đi qua một vòng dây dẫn
kín gồm 2 kim loại khác nhau thì một đầu nối sẽ nóng lên còn đầu kia sẽ lạnh đi .
Hiệu ứng Peltier được gọi là hiệu ứng nhiệt điện và được sử dụng trong đo
đạc nhiệt độ và cả trong kỹ thuật lạnh .
2 . Sử dụng sự giãn nở của chất khí :
Chúng ta đã biết nhiệt độ của chất khí luôn tỷ lệ thuận với áp suất của nó .
Nếu ta thực hiện quá trình giảm áp suất ( giãn nở ) sẽ kéo theo sự giảm nhiệt độ , sau
đó sẽ thực hiện quá trình nhận nhiệt của vật ở nhiệt độ thấp này . Đây chính là chu
trình máy lạnh không khí ( môi chất là không khí )
3 . Sử dụng hiệu tiết lưu đoạn nhiệt Joule – Thomson:
Chúng ta đã biết rằng khi chất khí hoặc hơi ở nhiệt độ ban đầu nhỏ hơn nhiệt
độ chuyển biến pha hơi ( cùng áp suất ) qua tiết lưu nhiệt độ của khí hoặc hơi giảm .
Đây chính là nguyên lý của máy lạnh hoá lỏng các chất khí .
4 . Sử dụng nhiệt chuyển pha ở nhiệt độ thấp :
Ta biết rằng áp suất của chất lỏng khi đi qua van tiết lưu sẽ giảm, điều này
kéo theo nhiệt độ sôi tương ứng giảm. Dùng môi chất nhận nhiệt của vật cần làm
lạnh để bốc ở nhiệt độ thấp này là nguyên lý của các máy lạnh thông thường ( máy
lạnh có máy nén , máy hơi lạnh hấp thụ ) .
Người ta sử cũng có thể sử dụng nhiệt nóng chảy hoặc thăng hoa trong quá
trình biến từ pha rắn sang pha lỏng hoặc từ pha rắn sang pha hơi của một số chất ở
nhiệt độ thấp .
5 . Sử dụng hiệu ứng xoáy :
Hiệu ứng xoáy do Rank tìm ra năm 1931: Khi cho một dòng khí ( ví dụ không
khí ) qua vòi phun vào một ống theo phương tiếp tuyến với chu vi ống, người ta
nhận được hai dòng khí đi ra ở hai phía ống có nhiệt độ khác nhau. Sử dụng dòng
khí lạnh có nhiệt độ thấp là nguyên lý của máy lạnh dựa trên hiệu ứng xoáy .
6. Phương pháp hoà trộn lạnh :
Cách đây 2000 năm, người Trung Quốc và Ấn Độ đã biết làm lạnh bằng cách
hoà trộn muối và nước theo một tỷ lệ nhất định. Nếu hoà trộn 31 gam NaNO 3 và 31
gam NH4Cl với 100 gam nước ở nhiệt độ 10 o-C thì hỗn hợp sẽ giảm nhiệt độ đến
-12oC Hoặc nếu hoà trộn 200 gam CaCl2 với 100g nước đá vụn, nhiệt độ sẽ giảm từ
0oC xuống đến mức -42oC. Hiệu ứng này cũng xảy ra khi hoà trộn muối ăn với nước
hoặc nước đá nhưng ở mức độ kém hơn.
Hồ Việt Dũng
Trang 15
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Cho đến đầu thế kỷ XX ở Mỹ vẫn còn bán các lại muối làm lạnh. Sau khi sử
dụng hỗn hợp dùng làm phân bón rất tiện lợi. Ngày nay người ta vẫn sử dụng nước
đá muối để ướp cá mới đánh bắt khi cần bảo quản cá ở nhiệt độ thấp hơn 0oC .
Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là giá thành muối cao và phần lớn
muối có tính ăn mòn mạnh.
7. Bay hơi chất lỏng :
Quá trình bay hơi chất lỏng bao giờ cũng gắn liền với quá trình thu nhiệt.
Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi một kg chất lỏng gọi là nhiệt ẩn hoá hơi. Vì nhiệt
ẩn hoá hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn rất nhiều nhiệt ẩn hoá rắn nên hiệu
ứng lạnh lớn hơn .
Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất lạnh và chất tải lạnh quan trọng
trong kỹ thuật lạnh .
Nitơ lỏng được coi là chất tải lạnh quan trọng. Nhiều trường hợp, nitơ lỏng
vừa là chất tải lạnh vừa là chất để bảo quản vì nitơ là loại khí trơ có tác dụng kìm
hãm các quá trình sinh hoá trong sản phẩm bảo quản .
Nitơ lỏng sôi ở nhiệt độ - 196oC. Nhiệt ẩn hoá hơi 200 kJ/kg. Nếu tăng lên
nhiệt độ 0oC nitơ cũng thu thêm một lượng nhiệt khoảng 200 kJ/kg. Như vậy năng
suất lạnh riêng q0 gần bằng 400 kJ/kg ở nhiệt độ 0oC .
Các môi chất lỏng cho máy lạnh nén hơi, hấp thụ và ejecto là amôniắc, nước,
các freôn đều thực hiện quá trình thu nhiệt ở môi trường lạnh bằng quá trình bay hơi
ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp và th¶i nhiệt ra môi trường bằng quá trình ngưng tụ ở
áp suất cao và nhiệt độ cao .
8. Hoá lỏng hoặc thăng hoa vật rắn :
Hóa lỏng và thăng hoa vật rắn để làm lạnh là phương pháp chuyển pha của
các chất tải lạnh như nước đá và đá khô .
Nước đá khi tan ở 0oC thu một nhiệt lượng 333kJ ( ≈ 79,5 kcal ). Nếu cần
nhiệt độ thấp hơn, phải hoà trộn đá vụn với muối ăn hoặc muối CaCl 2 . Nhiệt độ
thấp nhất có thể đạt được với nước đá muối là -21,2 oC ở nồng độ muối 23% trong
nước đá .
Nước đá và nước đá muối được sử dụng rộng rãi nhất là trong công nghiệp
đánh bắt hải sản vì các ưu điểm rẻ tiền, không độc hại và nhiệt ẩn hoá lỏng lớn,
nhược điểm là gây ẩm ướt cho sản phẩm bảo quản. Nước muối đá có tính ăn mòn
cao. Đá khô là cacbônic ở dạng rắn. Khi sử dụng, nó chuyển từ dạng rắn sang dạng
hơi, không để lại lỏng nên gọi là đá khô. Ngày nay đá khô có ý nghĩa công nghiệp
rộng lớn, đặc biệt dùng để làm lạnh trên phương tiện vận tải. Nhiệt ẩn thăng hoa của
đá khô là 572,2 kJ/kg ở nhiệt độ -78,5 oC . Khi tăng lên đến 00C năng suất lạnh riêng
của đá khô là 637,3 kJ/kg . Đá khô có rất nhiều ưu điểm: nhiệt ẩn thăng hoa lớn,
năng suất lạnh thể tích lớn , không là ẩm ướt sản phẩm , CO 2 có khả năng kìm hãm
vi sinh vật phát triển, nhược điểm lớn nhất là đá khô khá đắt tiền .
9. Phương pháp khử từ đoạn nhiệt
Hồ Việt Dũng
Trang 16
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Đây là phương pháp sử dụng trong kỹ thuật cryô để hạ nhiệt độ của các mẫu
thí nghiệm từ nhiệt độ sôi của Hêli (3 đến 4K ) xuống gần nhiệt độ không tuyệt đối
khoảng 1đến 3K . Nguyên tắc làm việc như sau : Người ta sử dụng một loại muối
nhiễm từ , ở quá trình nhiễm từ giữa 2 cực từ mạnh , các tinh thể được sắp xếp thứ
tự , muối toả ra một lượng nhiệt nhất định , lượng nhiệt này truyền ra ngoài để bay
hơi hêli lỏng . Quá trình nhiễm từ và toả nhiệt kết thúc , từ trường bị ngắt , muối bị
khử từ đoạn nhiệt , nhiệt độ giảm đột ngột và tạo ra một năng suất lạnh q o . Lặp lại
các quá trình đó nhiều lần người ta có thể tạo ra nhiệt độ lạnh rất thấp .
III – Chu trình nhiệt động :
Chu trình là một chuỗi quá trình khép kín , nghĩa là sau mỗi chu trình hệ trở
lại trạng thái xuất phát hay trạng thái ban đầu .Ta biết rằng muốn biến nhiệt thành
công trong các máy nhiệt phải dùng môi chất và cho môi chất giãn nở. Nhưng môi
chất không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn. Vì vậy muốn nhận được công
liên tục sau khi giãn nở phải nén môi chất để trở về trạng thái ban đầu rồi tiếp tục
giãn nở, nén lần hai …Môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi trở lại về
trạng thái ban đầu như vậy , ta nói rằng môi chất đã thực hiện một chu trình hay một
quá trình khép kín .
1. Chu trình thuận chiều (động cơ nhiệt ) :
Là chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ ( trên các đồ thị trạng thái ) ,
chu trình này biến nhiệt thành công , ở đây công sinh ra nên có dấu dương ( lo > 0 ) .
2. Chu trình ngược chiều :
Là chu trình tiến hành ngược chiều kim đồng hồ ( trên các đồ thị trạng thái )
chu trình ngược chiều là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt , trong đó thực hiện
quá trình chuyển nhiệt năng từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao
dưới tác dụng của năng luợng bên ngoài.
Tuỳ theo mục đích sử dụng ta chia chu trình ngược chiều thành :
+ Chu trình máy lạnh ( nhiệt lấy từ nguồn lạnh là có ích ).
+ Chu trình bơm nhiệt ( nhiệt nhả cho nguồn nóng là có ích).
Tuy nhiên về chu trình làm việc của chúng hoàn toàn giống nhau, chỉ khác
nhau ở khoảng nhiệt độ làm việc T1 của nguồn nóng và T2 của nguồn lạnh .
Với máy lạnh , T1 là nhiệt độ của môi trường ( không khí , nước làm mát ) còn
T2 là nhiệt độ cần làm lạnh . Với bơm nhiệt , T 1 là nhiệt độ cần cho quá trình đốt
nóng , T2 là nhiệt độ môi trường
Thông thường người ta chế tạo máy lạnh và máy bơm nhiệt riêng biệt , tuy
nhiên cũng có thể chế tạo một loại gọi là máy biến nhiệt tổng hợp , trong đó sử dụng
nhiệt q1( cho đốt nóng ) và q2 ( cho làm lạnh ) .
IV – Các loại máy lạnh thông dụng
Máy làm lạnh là thiết bị dùng để lấy nhiệt khỏi vật cần làm lạnh bằng cách hạ
nhiệt độ vùng cần làm lạnh xuống thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh để
nhiệt độ của vật giảm đến nhiệt độ yêu cầu ( làm việc theo chu trình ngược chiều )
Hồ Việt Dũng
Trang 17
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Thông thường máy làm lạnh tạo ra nhiệt độ từ : -100C đến -150C . Có nhiều kiểu
máy lạnh khác nhau như : Máy lạnh nén hơi , máy lạnh hấp thụ , máy lạnh nén khí ,
máy lạnh Ejectơ , máy lạnh nhiệt điện …. Đề tài chØ tËp trung nghiªn cøu máy
lạnh nén hơi.
Máy lạnh nén hơi là loại máy lạnh có máy nén cơ để hút hơi môi chất có áp
suất thấp và nhiệt độ thấp ở thiết bị bay hơi và nén lên áp suất cao và nhiệt độ cao
đẩy vào thiết bị ngưng tụ . Môi chất lạnh trong máy nén hơi có biến đổi pha ( bay
hơi ở thiết bị bay hơi và ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ ) trong chu trình máy lạnh .
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG LÀM LẠNH HAI CẤP
DÙNG HƠI AMÔNIĂC
I – Amôniăc
Amôniăc có công thức hoá học là NH 3, ký hiệu là R717 ( R chữ đầu của
Refrigerant – môi chất lạnh, chữ số 7 đầu là chữ số ký hiệu môi chất vô cơ ). NH 3 có
tính chất nhiệt động tốt phù hợp với chu trình máy lạnh nén hơi dùng máy nén
pittông
+ Tính chất vật lý :
- Là một chất khí không màu, có mùi rất hắc, rất dễ hoà tan trong nước ( một
lít nước có thể hoà với 1,14 thể tích NH 3 ở 32oF ), lỏng NH3 có nhiệt độ sôi ở áp suất
khí quyển là –33,35oC
- Hệ số dẫn và trao đổi nhiệt lớn, độ nhớt nhỏ, tình lưu động cao nên tổn
thất áp suất nhỏ , đường ống và van gọn nhẹ nên thuận lợi cho việc chế tạo , thiết kế
các thiết bị ngưng tụ và bay hơi …
- Có tính chất dẫn điện nên không sử dụng được cho máy nén kín và nửa kín .
- Trong điều kiện mùa hè ở Việt Nam, áp suất ngưng tụ tương đối cao, không
hoà tan dầu nên khó bôi trơn các chi tiết chuyển động của máy nén , do đó cần phải
duy trì áp lực bơm dầu cần thiết để đảm bảo bôi trơn máy .
- Hoà tan nước không hạn chế nên van tiết lưu không bị tắc ẩm tuy nhiên hàm
lượng nước phải khống chế dưới 0,1% .
- Nhiệt độ cuối tầm nén rất lớn nên phải làm mát đầu xilanh bằng nước và
phải hút hơi bão hoà .
- Năng suất lạnh riêng thể tích lớn nên máy nén và thiết bị gọn nhẹ .
- Áp suất bay hơi thường lớn hơn 1 bar và chỉ bị chân không ở máy lạnh 2 cấp
nhiệt độ bay hơi nhỏ hơn –33,4oC
Hồ Việt Dũng
Trang 18
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
+ Tính chất hoá học :
- Không ăn mòn các chất phi kim loại và kim loại đen chế tạo máy nhưng ăn
mòn đồng và các hợp kim của đồng trừ đồng thau Phốt pho, do đó, không sử dụng
đồng và hợp kim đồng trong máy lạnh amôniac .
- Bình thường NH3 phân huỷ thành nitơ và hyđrô ở nhiệt độ 260 oC nhưng khi
có mặt ẩm và bề mặt xilanh bằng thép làm xúc tác thì phân huỷ ngay ở nhiệt độ
110 0C– 120oC. Bởi vậy cần làm mát tốt đầu xilanh của máy nén và hạn chế nhiệt độ
cuối tầm nén càng thấp càng tốt .
+ Tính chất sinh lý :
- Amôniac độc hại đối với cơ thể con người , gây kích thích niêm mạc của
mắt , dạ dày , gây co thắt cơ quan hô hấp , làm bỏng da . Ở nồng độ 0,07 – 0,1 % thể
tích không khí , bắt đầu có sự huỷ hoại ở cơ quan hô hấp . Từ 0,2 – 0,3 % có thể làm
mù mắt hoặc làm chết người trong 30 phút . Nhưng amôniac có mùi khó ngửi ,hắc
nên có thể phát hiện ngay để phòng tránh .
- Amôniac làm giảm chất lượng thực phẩm bảo quản .
+ Tính an toàn cháy nổ :
- Amôniac gây cháy và gây nổ trong không khí. Ở nồng độ 13,5 – 16 % ,
amoniăc bốc cháy ở nhiệt độ 6510C vì vậy các giàn máy âmôniac không được dùng
ngọn lửa trần và phải được thông thoáng thường xuyên .
- Amôniac hỗn hợp với thuỷ ngân gây nổ rất nguy hiểm nên tuyệt đối không
sử dụng áp kế thuỷ ngân cho aamôniac .
+ Tính kinh tế :
- Amôniac là mội chất lạnh rẻ tiền, dễ điều chế, vận chuyển bảo quản tương
đối dễ dàng .
- Amôniac được sử dụng trong các máy lạnh có năng suất lớn và rất lớn vì vậy
tuy độc hại nhưng amôniac vẫn là chất lạnh được sử dụng rộng rãi và chỉ được sử
dụng cho máy nén pittông không ứng dụng cho máy tua bin vì tỉ số áp suất rất nhỏ .
- Nhiệt độ bay hơi có thể đạt –600C . Nó có khả năng báo hiệu sự rò rỉ bằng
mùi hắc rất đặc biệt .
Đặc tính
- Ẩn nhiệt bốc hơi ở T5oF
- Điểm sôi (Ở áp suất 14,7 PSIA )
- Điểm đông đặc (Ở áp suất 14,7 PSIA )
- Nhiệt độ khẩn hạn
- Áp suất khẩn hạn
- Tỷ lệ sức ép giữa 5oF và 86oF
- Tỷ lệ ở thể lỏng giữa 5oF và 86oF
- Số lượng di chuyển để tạo 1 tấn lạnh
- Số mã lực để tạo 1 tấn lạnh
Hồ Việt Dũng
Trị số
565BTU/giờ
-280 F
-107,90 F
271,40 F
1,675 PSIA
4,94
1,12
0,42 Lb/Phút
0.99 Hp
Trang 19
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Ẩn nhiệt của amôniac rất cao như 565 BTU ở 5 0 F nhờ vậy, một hệ thống làm
lạnh sử dụng âmôniac dưới hình thức nhỏ có thể hút được một số nhiệt rất lớn.
II . Hệ thống làm lạnh kiểu nén hơi
Như ta đã nói ở phần truớc, máy lạnh nén hơi là loại máy lạnh có máy nén
cơ để hút hơi môi chất có áp suất thấp và nhiệt độ thấp ở thiết bị bay hơi và nén lên
áp suất cao và nhiệt độ cao đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Hình vẽ 6 giới thiệu sơ đồ
thiết bị của máy lạnh nén hơi đơn giản. Bình ngưng tụ NT được làm mát bằng nước
và thải lượng nhiệt QK , Bình bốc hơi BH thu lượng lạnh Q0 của môi trường trực tiếp
hoặc gián tiếp qua nước muối.
Hình 6 . Sơ đồ nguyên lý máy lạnh nén hơi
MN- Máy nén ; NT - Thiết bị ngưng tụ ;
TL – Van tiết lưu.
Máy lạnh nén hơi gồm có 4 bộ phận chính là
máy nén, thiết bị ngưng tụ, van tiết lưu và
thiết bị bay hơi. Chúng được nối với nhau
bằng
đường
ống theo thứ tự như biểu diễn trên hình vẽ. Môi chất
lạnh tuần hoàn và biến đổi pha trong hệ thống lạnh.
Các quá trình cơ bản được biểu thị trên đồ thị T – S
như hình 7 :
1 - 2 : Quá trình nén đoạn nhiệt hơi sinh ra ở
thiết bị bay hơi .
2 - 3 : Quá trình ngưng tụ hơi ở áp suất cao và
nhiệt độ cao .
3 - 4 : Quá trình tiết lưu.
4 - 1 : Quá trình bay hơi ở áp suất thấp và nhiệt
độ thấp tạo ra hiệu ứng lạnh .
Các loại môi chất thường là Amoniăc và các
loại Freôn. Tuỳ theo môi chất sử dụng trong máy mà hệ thống có đặc điểm riêng và
cần một số thiết bị phụ riêng .
2.1. Sự làm lạnh bằng phương pháp hoá hơi
Hiện nay hệ thống làm lạnh kiểu nén hơi được sử dụng rất rộng rãi . Hệ thống
này ứng dụng nguyên tắc : nén , làm nguội , hoá hơi và nén lại để thực hiện qui trình
làm lạnh .
Hồ Việt Dũng
Trang 20
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Như ta đã biết làm lạnh là quy trình loại bỏ nhiệt và đưa nhiệt đến vị trí khác
đồng thời duy trì nhiệt độ ở không gian làm lạnh thấp hơn so với xung quanh .
Có hai cách để làm hoá hơi chất lỏng đó là : Cung cấp nhiệt cho chất lỏng
hoặc giảm áp suất tác dụng đối với chất lỏng .
Theo cách thứ hai ta cần lưu ý hai điểm cơ bản :
- Chất lỏng khi hoá hơi sẽ hấp thụ nhiệt môi trường nhưng không thay đổi
nhiệt độ ( chỉ thay đổi trạng thái vật lý )
- Hơi chất làm lạnh có thể chuyển sang trạng thái lỏng trong quá trình ngưng
tụ bằng cách tăng áp suất .
Như vậy sự ngưng tụ được thực hiện do nhiệt độ và áp suất cao tác dụng lên
chất làm lạnh .
Chất làm lạnh được sử dụng theo phương pháp này có thể được tái sử dụng
nhiều lần không bị tổn thất nếu không bị rò rỉ ra bên ngoài và không làm giảm tác
dụng làm lạnh khi không bị nhiễm bẩn .
2.2.Chu trình làm lạnh cơ bản:
Có nhiều kiểu hệ thống làm lạnh khác nhau , tuỳ theo kiểu máy nén hoặc
kiểu thiết bị điều khiển lưu lượng , nhưng chu trình làm lạnh đều như nhau
Hình 8
Hình 9
aaaaaa
Sơ đồ hình 8 trên biểu thị chu trình làm lạnh trong hệ thống làm lạnh kiểu nén
hơi . Chúng ta có thể bắt đầu từ số 1 ( máy nén MN ) . Hơi môi chất làm lạnh bị nén
trong máy nén đến áp suất cao ( từ 15 đến 20bar ) và nhiệt độ cao ( quá trình 1-2
trên hình 9 ) được đưa vào bộ ngưng tụ thông qua ống dẫn . Trong bộ ngưng tụ NT ,
hơi được giải nhiệt bằng chất làm nguội . Hơi sẽ nguội dần và ngưng tụ thành chất
lỏng có áp suất cao và nhiệt độ cao ( quá trình 2 -3’ ), ở đây có sự làm lạnh sâu ( quá
lạnh QL) . Mục đích làm lạnh sâu là để giảm lượng khí trong thiết bị điều khiển lưu
lượng , cho phép tăng hiệu suất .
Hồ Việt Dũng
Trang 21
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Trước khi đến thiết bị điều khiển lưu lượng chất làm lạnh lỏng đi qua bộ sấy
lọc để loại bỏ tạp chất khỏi chất làm lạnh tránh làm nghẹt đường ống và thiết bị điều
khiển lưu lượng .
Chất lỏng lưu động qua ống dẫn đến thiết bị điều khiển lưu lượng ở cửa vào
của bộ bốc hơi BH . Tại điểm này chất làm lạnh gặp van tiết lưu TL làm cho áp suất
giảm từ áp suất ở đường dẫn lỏng đến áp suất cần thiết trong bộ bốc hơi ( qu á trình
3-4) do tính chất của van tiết lưu và do tác dụng hút của máy nén. Chất làm lạnh bắt
đầu thu nhiệt và hoá hơi khi đi qua bộ bốc hơi BH , rồi sau đó đi vào đường hút của
máy nén MN ( quá trình 4-1’) . Tại điểm này chất làm lạnh lỏng đã nhận đủ nhiệt để
hoá hơi hoàn toàn (có nhiệt độ và áp suất thấp ).Trong hệ thống máy lạnh người ta
còn sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh sự quá nhiệt .Tại máy nén quá trình nén được
lặp lại và bắt đầu chu trình mới .
Tóm lại chu trình làm lạnh kiểu nén gồm các quá trình :
- Hơi chất làm lạnh áp suất thấp bị nén và đưa vào bộ ngưng tụ .
- Hơi chất làm lạnh có áp suất cao nhiệt độ cao được làm nguội và ngưng tụ
thành chất lỏng trong thiết bị ngưng tụ .
- Chất làm lạnh lỏng đi qua thiết bị điều khiển lưu lượng và đi qua bộ bốc hơi
- Khi áp suất giảm trong bộ hoá hơi , chất làm lạnh sẽ hoá hơi . Khoảng 20%
chất làm lạnh chuyển sang trạng thái hơi để làm nguội phần còn lại của chất làm
lạnh đến nhiệt độ hoá hơi .
- Nhiệt được hấp thụ bởi chất làm lạnh lỏng áp suất thấp , nhiệt độ thấp và
hoá hơi hoàn toàn .
- Hơi chất làm lạnh có áp suất thấp nhiệt độ thấp được đưa vào máy nén lặp
lại chu trình .
2.3 Chu trình làm lạnh 2 cấp :
Khi dùng máy nén 1cấp, nếu tỉ số nén quá cao thì sẽ dẫn đến nhiệt độ của hơi
nén quá cao, làm cho hơi nén dễ bị phân huỷ hoá học, do đó để khắc phục nhược
điểm này người ta đã sử dụng hệ thống làm lạnh 2 cấp và có làm lạnh hơi trung gian
giữa hai cấp nén.
Hồ Việt Dũng
Trang 22
Hệ thống làm lạnh hai cấp dùng hơi amôniăc
Hình 10
Hình 11
Có rất nhiều chu trình 2 cấp và nhiều cấp với các cách bố trí thiết bị khác
nhau. Ở đây chúng ta sẽ khảo sát chu trình 2 cấp làm mát trung gian không hoàn
toàn 1 tiết lưu là chu trình 2 cấp nén đơn giản nhất
Chu trình làm việc như sau : Hơi ra ở thiết bị bay hơi có trạng thái bão hoà 1
được máy nén hạ áp hút và nén lên trạng thái 2 (áp suất trung gian) sau đó được làm
mát trung gian (bằng nước hoặc không khí môi trường ) xuống đến trạng thái 3 có
nhiệt độ bằng nhiệt độ ngưng tụ Tk và được máy nén cao áp hút và nén lên trạng thái
4 (áp suất ngưng tụ Pk ) . Sau khi được làm mát và ngưng tụ , môi chất lỏng được
đưa vào van tiết lưu và tiết lưu xuống áp suất P o và cấp cho dàn bay hơi . Ở dàn bay
hơi môi chất lỏng sôi thu nhiệt của môi trường lạnh . Hơi tạo thành trong thiết bị bay
hơi lại được máy nén hạ áp hút về khép kín chu trình lạnh .
2.4 Các bộ phận chính của hệ thống làm lạnh kiểu nén hơi :
Trong hệ thống làm lạnh kiểu nén hơi có 4 bộ phận chính : máy nén , bộ bốc
hơi , bộ ngưng tụ và thiết bị điều chỉnh lưu lượng .
2.4.1 Máy nén lạnh
Trong kỹ thuật làm lạnh, có rất nhiều loại máy nén lạnh khác nhau như máy
nén pittông, trục vít, rôto, turbin…và máy nén lạnh được coi là bộ phận quan trọng
nhất của hệ thống lạnh.
Hồ Việt Dũng
Trang 23
- Xem thêm -